基于地理位置的无线传感器网络路由协议

Routing Algorithms Based on Location Information for Wireless Sensor Network

郑锴,童利标,陆文骏

摘要：基于地理位置的路由协议是无线传感器网络路由协议研究的一个重要方向。利用位置信息指导路由的发现、维护和数据转发，能够优化路径选择，减少路由能耗，实现网络的全局优化。从限制洪泛机制、虚拟分区机制、最优路由确认机制3个方面，可以看出地理位置信息在路由协议中的重要性。

关键词：无线传感器网络；路由协议；地理位置；虚拟分区

Abstract:Routing algorithms based on geographical location information is an important research subject in the wireless sensor network. The routing algorithms based on geographical location information can confirm the best routing, reduce the energy consumption, and optimize the whole network. Through three aspects involving the flooding restriction scheme, the virtual area partition scheme and the best routing choice scheme, the importance of location information is seen in the routing algorithm.

Key words:wireless sensor network; routing algorithm; location information; virtual area partition

无线传感器网络(WSN)是将大量的具有通信与计算能力的微小传感器节点设置在无人值守的监控区域，构成的智能自治测控网络系统。在WSN的实际应用中，尤其是军事应用中，往往需要实现对传感器节点的定位，获取监控区域的地理位置信息，因此，位置信息也很自然地被考虑到WSN路由协议的设计中。基于地理位置的路由协议是当前路由协议研究的一个重要方向，受到了广泛关注。

基于地理位置的路由协议利用位置信息指导路由的发现、维护和数据转发，能够实现信息的定向传输，避免信息在整个网络的洪泛，减少路由协议的控制开销，优化路径选择，通过利用节点位置信息构建网络拓扑图，易于进行网络管理，实现网络的全局优化。

国内外的学者针对不同的应用背景已经提出了多种基于地理位置的路由协议，如何充分地利用地理信息来实现高效的路由是研究的重点。本文将具体分析地理信息在路由协议中的应用，分别从限制洪泛机制、虚拟分区机制、最优路由确认机制等3个方面进行分析。

1 基于位置信息的限制洪泛机制

传统的Flooding洪泛路由协议具有简单性和鲁棒性的优点[1]，许多路由协议的设计中都采用了洪泛路由的思想，然而洪泛路由存在着信息重叠和信息“内爆”现象，造成了大量的信息冗余和盲目的资源浪费。利用距离、方位等地理信息来指导和限制路由洪泛，界定洪泛路由搜索区域，能够大大提高路由搜索的方向性和有效性。当在路由受限区域内没有合适的路径时，可以自适应地对洪泛区域进行调整，或采用传统洪泛的方法继续进行路由搜索。受限洪泛区域主要有距离受限域、角度受限域和矩形受限域等形式。

1.1 距离洪泛受限域

目的区域的位置不确定时，可以构建一种简单的距离限制域：路由搜索信息向距离信息发送节点更远的方向进行洪泛，只有距离信息发送节点更远的节点收到数据包时才进行转发，通过这种方式能够减少信息的冗余。目的区域的位置能够确定时，可以由距离目的区域更近的节点所在的区域来构成路由请求区域。如位置辅助路由(LAR)协议中确定路由请求区域的其中一种方案，便采用了这种思想[2]。

1.2 角度洪泛受限域

角度限制域是根据某一个角度而确定的受限域，也就是说，位于一定的角度范围内的中间节点才能作为路由洪泛的中继转发节点。限制角度的选取有多种方法，图1、图2和图3分别示意了3种角度选取方法。

图1中所确定的角度受限域由两条相交的射线OM和OP所构成[3]，以源节点S和目的节点D为圆心、以RS和RD为半径构造了两个界限圆，不妨假设RS >RD，可以得出两圆的公切线以及它们的交点O，易于算出限制角∠SOM的度数。RS 和RD的大小根据具体应用进行设定。

图2中所确定的限制角度是变化的，而不是固定不变。S 点为源节点，D点为目的节点，X为一个中转节点。X所转发的路由请求包中包含限制角∠DXM，可以根据式(1)计算：

收到X转发的数据包的节点J和K分别计算∠DXJ和∠DXK，并与∠DXM比较大小。若该角度小于限定角的节点继续转发数据包，则节点K丢弃数据包，节点J 将转发路由请求数据包，并且节点J 将按照上述处理方法更新限定角的大小并继续转发数据包。

图3中源节点的路由请求数据包中包含自身的位置信息和预定的限制角度[4]，中间节点M 收到数据包后，通过三角公式可

以得出自己和源节点S、目的节点D间的夹角∠SMD，如果∠SMD大于预定的转发限制角，则继续转发，否则就丢弃数据包。预定的限制角度可以根据具体应用进行设定。

1.3 矩形洪泛受限域

矩形限制域即是通过一定的策略所划定的矩形洪泛区域，具体给出以下两种划分方法。

图4中的矩形区域即为矩形受限域的一种构造方法。以源节点S 和目的节点D 作为两个顶点总可以构造矩形区域。为提高路由请求的成功率，可以将目的地扩展为一个半径为R 的圆形区域进行优化。半径R 一般不超过节点的通信半径，其设置可以根据节点的稠密程度进行调整，一般情况下，如果节点稠密可以将R 设定得小些，如果节点稀疏则可以将R 设定得大些，以保证路由的成功率。